m12

(10–20 В) и большими значениями тока от единиц до сотен и тысяч ампер.

Напряжение, при котором происходит переход от несамостоятельного к самостоятельному разряду, называется напряжением зажигания

U з .(рис. 2.2) При этом напряжении ток разряда существенно возрастает

(участок в–с). Это явление обусловлено процессом ударной ионизации газа и называется газовым усилением.

Суть явления заключается в следующем. Двигаясь под действием электрического поля, электроны накапливают энергию (ускоряются) и, сталкиваясь с атомами газа, ионизируют их. Возникающие при этом положительные ионы движутся к катоду, а электроны к аноду. Количество электронов возрастает. Эти электроны ускоряются в электрическом поле и вновь ионизируют газ. Так развивается электронная лавина. В этом процессе также участвуют и положительные ионы. Они под действием электрического поля двигаются к катоду и, приобретая значительную энергию, интенсивно бомбардируют катод. При этом возникает эмиссия электронов с катода, и эти электроны тоже участвуют в процессе ионизации газа и создании электронных лавин.

Для количественной оценки процессов газового усиления Таунсенд ввел понятие коэффициента объемной ионизации, показывающие, сколько ионизаций осуществляет электрон на одном метре пути. Чем выше значение этого коэффициента, тем больше газовое усиление.

Коэффициент объемной ионизации зависит от напряженности электрического поля и средней длины свободного пробега электрона в газе. Средняя длина свободного пробега электрона, определяется видом и давлением газа, находящегося в пространстве между электродами.

Явление газового усиления впервые было обнаружено и изучено в 1888 году А.Г. Столетовым. Им было установлено, что в данном газе для каждой напряженности электрического поля соответствует определенное давление газа, при котором газовое усиление максимально. Каждый газ характеризуется некоторой константой, представляющей собой отношение напряженности поля к давлению газа, при котором газовое усиление максимально.

Таким образом, явление газового усиления приводит к возникновению самостоятельного разряда. Условие, при котором разряд становится самостоятельным, заключается в следующем. Если один электрон, выходящий из катода в результате ионизации атомов газа, создает такое количество ионов, которые, приходя к катоду, вновь выбивают из него не менее одного электрона.

41

Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называют напряжением возникновения самостоятельного разряда или напряжением зажигания. Зависимость напряжения зажигания от произведения давления газа и расстояния между электродами (p d) была установлена экспериментально Пашеном и носит, поэтому название Закон Пашена. Кривые, выражающие зависимость U з f ( p d) для разных

газов показаны на рис. 2.3 и называются кривыми Пашена.

Они показывают, что есть оптимальное значение, при котором зажигание разряда облегчено, т. е. U з минимально. Наличие минимума

напряжения зажигания объясняется характером зависимости коэффициента объемной ионизации от давления газа и напряженности электрического поля. Для каждого типа газа существует оптимальное значение

(p d) при котором условия для возникновения самостоятельного разряда наиболее благоприятные и соответственно разряд происходит при возможном минимальном напряжении. Напряжение зажигания зависит не только от давления газа, расстояния между электродами, типа газа, но и от материала электродов и состояния поверхности катода.

Следует заметить, что закон Пашена нарушается при значительном уменьшении давления газа и расстояния между электродами, когда средняя длина свободного побега электронов и ионов становится большей по сравнению с расстоянием между электродами. Нарушение закона Пашена наблюдается также при высоких давлениях газа (порядка нескольких атмосфер), когда разряд развивается в форме искры.

Самостоятельный разряд может существовать в различных формах, которые отличаются друг от друга процессами, протекающими у катода. Следует иметь в виду, что при переходе разряда в самостоятельный, рост тока приводит к формированию объемных зарядов электронов и ионов, изменяющих картину электрического поля между электродами и условия прохождения электронных лавин.

42

На рис. 2.4 показано в упрощенном виде как изменяется распределение потенциала между электродами с ростом тока разряда. Концентрация электронов и ионов в межэлектродном пространстве до возникновения самостоятельного разряда еще мала. Поэтому распределение потенциала в межэлектродном пространстве практически линейное (прямые линии 1, 2 на рис. 2.4).

Качественно иная картина наблюдается, когда анодное напряжение повышается до значения или большего напряжения зажигания самостоятельного разряда. В межэлектродном пространстве начнет накапливаться заметный объемный заряд электронов и положительных ионов. Основная масса электронов и положительных ионов будет генерироваться перед анодом, так как процесс ионизации лавинообразный. Именно перед анодом возникает слой сильно ионизированного газа, т. е. плазмы, имеющей высокую электропроводность. Следовательно, перепад потенциала на этом участке будет небольшим. Там, где плазма практически отсутствует, будет иметь место линейный рост потенциала, а на участке плазмы лишь незначительное изменение потенциала. Чем больше ток, тем больше положительных ионов, тем больше созданный ими объемный заряд и тем сильнее отклоняется распределение потенциала от линейного закона (кривые 3, 4, 5 на рис. 2.4).

Распределение потенциала таково, что почти все анодное напряжение падает в тонком слое около катода. Эта область называется катодной частью разрядного промежутка или областью катодного падения. Так как в этой области вдоль короткого промежутка действует значительное падение напряжения, напряженность поля здесь достигает высоких значений. Можно сказать, что роль анода выполняет ионное облачко с большим положительным зарядом. Отрицательный объемный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. В этой области действует ускоряющие поле, как для электронов, так и для ионов. Ионы двигаются из плазмы в область катодного падения, где получают ускорение, так как напряженность поля здесь велика. Ударяясь с большой скоростью в катод, ионы выбивают из него электроны. Вылетевшие из катода электроны в области катодного падения сильно ускоряются и влетают в плазму с большой скоростью, достаточной для ионизации газа. Электроны сталкиваются с атомами газа в различных частях плазмы.

Наряду с ионизацией и возбуждением атомов газа в плазме происходят и процессы рекомбинации. Поэтому при возникновении тлеющего разряда появляется свечение газа около катода. С увеличением тока оно усиливается, расширяется и в итоге распространяется на всю плазму.

43

Тлеющему разряду на ВАХ рис. 2.2 соответствуют два участка (d–e) и (e–f). На участке (d–e) напряжение сростом тока практически не меняется. Это напряжение горения нормального тлеющего разряда (UГ

), не зависит от тока и является константой, которая определяется типом газа и материалом катода.

Кроме того, установлено, что произведение давления газа на ширину участка катодного падения потенциала( p dкп) постоянно для данного газа и материала катода. Обычно значение UГ находится в пределах

от 60 до 150 В. Для этого вида разряда характерно также постоянство плотности тока катода независящие от тока разряда. Это связано с тем, что после возникновения разряда только небольшая часть поверхности катода является рабочей. Ток проходит именно через эту часть поверхности, и свечение наблюдается лишь у этой части поверхности. С возрастанием тока рабочая поверхность катода увеличивается пропорционально току, поэтому плотность тока остается неизменной. При максимальном токе нормального тлеющего разряда (точка e на ВАХ) вся поверхность катода становится рабочей и охватывается свечением.

Постоянство напряжения горения при нормальном тлеющем разряде объясняется тем, что с ростом разрядного тока одновременно пропорционально увеличивается рабочая площадь катода. В результате площадь поперечного сечения разрядного промежутка станет больше и соответственно внутреннее сопротивление разрядной трубки уменьшается. Таким образом, сопротивление уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается ток и, следовательно, напряжение горения остается постоянным. Это свойство нормального тлеющего разряда используют в ионных приборах, предназначенных для стабилизации напряжения.

Когда разряд распространяется на всю поверхность катода (точка e на ВАХ), то дальнейший рост тока невозможен без увеличения напряжения. С этого момента нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный (участок e–f на ВАХ). При этом виде разряда увеличивается не только падение напряжения на разрядной трубке, но и плотность тока, так как сечение разрядного промежутка остаются практически постоянным. Кроме того, усиливается яркость свечения газа около катода, и свечение распространяется все больше в область разрядного промежутка.

Режим аномального катодного падения используется в различных ионных приборах. Например, в таких приборах как буквенно-цифровые индикаторные лампы, газосветные лампы и т. д.

44

При аномальном тлеющем разряде по мере роста тока происходит увеличение катодного потенциала и уменьшение ширины участка катодного падения потенциала. Это приводит к возрастанию напряженности электрического поля в катодной области и, следовательно, к увеличению энергии ионов, бомбардирующих катод. Когда разрядный ток достигает значительной величины (точка f на ВАХ), нагрев катода вследствие ударов ионов становится довольно сильным. При этом в силу естественной неоднородности и различных условий охлаждения отдельных участков катода один из них нагревается сильнее других и начинает за счет нагрева эмитировать дополнительное число электронов. Рост электронной лавины с данного участка приводит к дальнейшему увеличению числа ионов бомбардирующих этот участок. В результате разряд стягивается на катоде в пятно очень малых размеров. Это пятно называют катодным. При таком развитии разряда преобладающей становится термоэлектронная эмиссия, а не процессы выбивания электронов с поверхности катода ударяющих ее ионов.

В разрядной трубке устанавливается новая форма разряда, т. е. самостоятельный дуговой разряд (участок g–h на ВАХ). При этом виде разряда, как и при тлеющем разряде, непосредственно перед катодом располагается участок катодного падения потенциала. Однако если в тлеющем разряде протяженность участка катодного падения составляет несколько длин свободного пробега электронов, то при дуговом разряде его протяженность примерно равна средней длине свободного пробега электрона. Кроме того, величина катодного падения потенциала при дуговом разряде намного меньше, чем в тлеющем разряде. Эта величина примерно равна потенциалу ионизации газа, которым наполнен прибор. Возможность горения дугового разряда при существенно меньших напряжениях, чем при тлеющем разряде, т. е. на уровне потенциала ионизации газа объясняется очень малым сопротивлением разрядного промежутка, так как концентрация носителей заряда при дуговом разряде очень высокая.

Это обусловлено следующими обстоятельствами. Во-первых, в результате уменьшения протяженности участка катодного падения электроны, выходящие из катода, проходят его практически без столкновений с атомами газа и, следовательно, накапливают энергию, достаточную для ионизации газа. Движение ионов к катоду происходит также почти без столкновений с атомами, без потерь энергии, т. е. каждый ион, приносит на катод всю получаемую при прохождении участка катодного падения энергию.

Во-вторых, суммарная энергия ионов приходящих к катодному пятну довольно высока, что обеспечивает поддержание высокой темпе-

45

ратуры катодного пятна и соответственно интенсивному выходу электронов с катода вследствие термоэлектронной эмиссии.

Кроме того, при дуговом разряде высока вероятность возникновения электростатической эмиссии, так как напряженность электрического поля на участке катодного падения вследствие его малости достигает очень высоких значений. Таким образом, при переходе к дуговому разряду резко снижается внутреннее сопротивление прибора, сильно увеличивается ток и особенно плотность тока в катодном пятне.

Уменьшение напряжения на разрядной трубке при переходе от тлеющего к дуговому разряду происходит автоматически за счет увеличения падения напряжения на балластном резисторе при росте тока.

Разряд, аналогичный самостоятельному дуговому разряду, можно получить, используя в приборе катод, нагреваемый внешним источником. Отличием является возможность существования несамостоятельного дугового разряда при малых токах, значительно меньших, чем при самостоятельном дуговом разряде. Такой вид разряда используют, например, в таких ионных приборах как тиратрон или газотрон.

Вольтамперная характеристика несамостоятельного дугового разряда представлена на рис. 2.5.

При напряжениях между электродами, меньших потенциала ионизации газа, через прибор протекает лишь электронный ток, аналогичный току электровакуумного диода (участок 0–a на ВАХ). Когда напряжение станет равным потенциалу ионизации газа (точка – a на ВАХ), в разрядном промежутке начинаются процессы ионизации и возникает разряд. В межэлектродном пространстве формируется плазма, граница которой, как и при самостоятельном дуговом разряде, подходит очень близко к катоду. Непосредственно перед катодом располагается область катодного падения потенциала, величина которого близка к потенциалу ионизации газа, наполняющего прибор.

Рис. 2.5

46

Небольшое уменьшение напряжения между катодом и анодом, приводящее к появлению на ВАХ порога возникновения разряда (участок a–в), связано с перераспределением потенциала в межэлектродном пространстве, а также с процессом ступенчатой ионизации газа.

Рост тока на рабочем участке (в–с) имеет место при почти постоянном напряжении. На этом участке ток через прибор меньше тока эмиссии катода. По мере роста тока происходит постепенная нейтрализация поля объемного заряда электронов полем положительных ионов, что связано с усилением процесса ионизации газа. При этом внутреннее сопротивление прибора уменьшается пропорционально росту тока.

Когда ток через прибор станет равным току термоэмиссии катода – Ie (точка с на ВАХ) отрицательный объемный заряд практически пол-

ностью нейтрализуется. Дальнейший рост тока невозможен без увеличения напряжения, так как дополнительное количество электронов обеспечивается бомбардировкой катода положительными ионами. Увеличение катодного падения потенциала приводит к усилению процессов ионизации и увеличению эмиссии электронов с катода.

Это связано с увеличением энергия ионов, которые выбивают все большое количество электронов. Кроме того, они вызывают дополнительный нагрев катода. Дальнейший рост тока может привести к переходу несамостоятельного дугового разряда в самостоятельный дуговой.

Участок (c–d) на ВАХ является не рабочим в реальных приборах из-за интенсивного разрушения катода вследствие интенсивной бомбардировки его быстрыми положительными ионами, идущими из плазмы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1.Описание лабораторной установки

Влабораторной работе исследуются начальные формы самостоятельного разряда на примере цифровой индикаторной лампы и несамостоятельный дуговой разряд в тиратроне. В обоих случаях снимаются ВАХ разряда в диапазоне токов, которые являются допустимыми для указанных приборов. В тиратроне управляющая сетка соединена с катодом, то есть имеет нулевой потенциал и не влияет на процессы в разрядном промежутке анод-катод. Этим самым тиратрон превращается в обычную разрядную трубку.

Лабораторная установка состоит из основного стенда с источниками питания и измерительными приборами, а также дополнительного блока. Принципиальная схема этого блока приведена на рис. 3.1.

47

Она содержит две отдельные схемы для исследования самостоятельного разряда на примере индикатора (рис. 3.1, а) и несамостоятельного на тиратроне (рис. 3.1, б). Для питания анодной цепи цифрового индикатора используется источник Е2 стенда с регулировкой напряжения от 0 до 250 вольт. С тем, чтобы изучить поведение разряда при малых токах, в анодную цепь включен регулируемый балластный резистор большой величины. Он состоит из дискретно переключаемых постоянных резисторов, условно показанных как R1 и двух переменных резисторов R2 и R3. Значения сопротивления максимально при крайнем левом положении ручек регулировки. Для увеличения тока необходимо последовательно регулировать значение сопротивления R1, R2 и R3, так как R1>R2>R3.

Резистор R4 ограничивает максимальное значение тока. Для расширения пределов измерения анодного тока в блоке установлен шунт. Если на самом стенде установить предел измерения анодного амперметра 0.2 мкА и подключить параллельно зажимам прибора шунт, то максимальное значение шкалы будет соответствовать 20 мкА.

Для измерения анодного напряжения необходим вольтметр с очень большим входным сопротивлением, чтобы оно не шунтировало балластный резистор (R1+R2+R3+R4). Стандартное входное сопротивление вольтметра PU равно 107 Ом. Для его увеличения последовательно с вольтметром включено добавочное сопротивление Rдоб . Оно подобрано

так, что если установить на вольтметре предел 30 вольт, то с учётом Rдоб действительный предел будет равен 300 вольт, а входное сопро-

тивление измерительной цепи повысится до 108 Ом.

Рис. 3.1, а

48

3.3.4. Приступить к измерениям. Медленно поднимая напряжение, тщательно засечь напряжение, при котором появится скачок тока (U З ) .

После этого увеличивая напряжение Е2 до максимального значения, а затем, последовательно уменьшая резисторы R1, R2 и R3, снять зависи-

мость U a f (Ia ) . После того, как амперметр зашкалит, переключатель

пределов поставить на 200 мкА, а шунт отключить. Далее по мере надобности увеличивать предел измерений. В каждой декаде изменения тока снимать 3,4 точки. Форма таблицы данных произвольная. При снятии характеристики зафиксировать и отметить на вольтамперной характеристике начало свечения, а также моменты, когда светится половина цифры и вся цифра. Установить ручки регулировки Е2 в крайне левое положение и выключить его.

3.3.5. Измерительные приборы не выключать. Собрать схему рис. 3.1, б для исследования несамостоятельного дугового разряда. Установить ручки Е1 и Е2, а также R1 на дополнительном блоке в крайне левое положение. Включить Е1 и Е2. Установить напряжение накала 6.3±0.1 В. Дать прогреться тиратрону в течение 2–3 мин.

3.3.6. По методике, изложенной в п. 3.3.3 снять зависимость U a f (Ia ) . После зажигания ток менять через 10 мА. Уменьшить напря-

жение накала до 5 вольт и, дав установиться температурному режиму катода в течение 2–3 мин, повторить измерения. Показать полученные данные преподавателю, с его разрешения выключить всю измерительную аппаратуру и разобрать лабораторную установку.

3.4.Содержание отчета

3.4.1.Цель работы и краткое описание лабораторной установки.

3.4.2.Принципиальную схему для исследования самостоятельного разряда, назначение элементов.

3.4.3.Таблица экспериментальных данных U a f (Ia ) и график этой

зависимости, где по оси токов использовать логарифмический масштаб. Дать качественное описание наблюдаемых явлений. Указать на графике и назвать области самостоятельного разряда. Определить напряжение зажигания и напряжение горения нормального тлеющего разряда.

3.4.3. Таблица экспериментальных данных и график зависимости U a f (Ia ) для двух напряжений накала. Дать качественное описание полученных графиков. Определить потенциал ионизации аргона, которым

50